超临界二氧化碳涡轮发电在船舶余热利用上的技术分析

船舶动力技术水平关系到国家经济发展与军事安全,其中实现其发动机排气余热高效利用是一项关键技术.船舶具有多种余热利用的途径,现代船舶对于电能的需求越来越大,利用余热进行发电具有前景.超临界二氧化碳具有良好的密度和流动特性,可在中低温区实现高效的涡轮机械作功,相比温差发电或燃气轮机发电具有明确的效率优势.本文对比分析了超临界二氧化碳涡轮发电的发展现状和关键技术,并针对船舶参数开展30 kW级超临界二氧化碳涡轮发电机的研制,在氮吹试验中实现了36 kW/36.5 kr/min的功率输出,可进一步验证并推进超临界二氧化碳涡轮发电在船舶余热利用上的发展.     

基于集成高效热能发电系统的船舶Attained EEDI及燃油消耗量分析

为满足国际海事组织(IMO)关于船舶能效设计指数(energy efficiency design index,EEDI)的强制要求,各国已开始探索高效热能发电技术在船舶能源系统中的集成和应用,以期通过对船舶主动力装置余热进行回收利用,实现降低EEDI、减少燃油消耗量和控制废气排放量的目标。论文以超临界二氧化碳布雷顿循环(S-CO_2 Brayton cycle,S-CO_2 BC)发电系统、有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)余热发电系统、卡琳娜循环(Kalina cycle,KC)余热发电系统和动力涡轮(power turbine,PT)余热发电系统为具体研究对象,分别就单一新型动力循环发电系统和组合型高效热能发电系统在某型2500TEU支线集装箱船中集成,对船舶达到的能效设计指数(attained EEDI)和燃油消耗量折减进行计算分析。结果表明:采用超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统取代1台船舶辅机,并与有机朗肯循环、卡琳娜循环及动力涡轮等新型动力循环余热发电系统构成组合型高效热能余热发电系统技术方案,可实现船舶达到的能效设计指数EA与没有应用任何高效热能发电系统技术方案的指数相比下降33.28%;单一应用有机朗肯循环余热发电技术对减少船舶燃油消耗量的贡献显著,燃油节省率可达到5.99%。这项研究工作可为在船舶上集成应用高效热能发电技术提供理论参考依据。     

超临界二氧化碳涡轮发电机的设计及应用探讨

本文主要对超临界二氧化碳的物性特点及使用超临界二氧化碳为工质的涡轮发电机技术进行概述,提出基于超临界二氧化碳为工质的涡轮机设计的主要技术难点,包括涡轮设计、动密封设计、润滑设计及冷却设计,并在此基础上设计了涡轮机通过联轴器拖动高速发电机的组合原理样机;最后分别在氮吹试验台、超临界二氧化碳布雷顿热力循环系统上对涡轮发电机进行2种工质下的气吹试验,功率分别达到了12.6 kW和5.8 kW;通过试验证实了超临界二氧化碳涡轮发电机技术上的可行性,并为此种技术在船舶上的应用指明了方向.     

船舶主机废气余热温差发电的数值模拟与试验研究

为了对船舶柴油机废气余热加以利用以达到船舶节能和减少碳排放的目的，结合船舶余热的特点，开展了船舶余热温差发电的数值模拟与实验研究。采用CFD方法完成了实验装置相关参数的选择后，进一步对温差发电装置的换热过程进行模拟，并通过实验验证了模拟的正确性。最后，以MAN/B＆W41V32/40式船舶主机为研究对象，对其废气余热温差发电的性能进行了评估。结果表明，在热端平均温度为500 K，冷端平均温度为310 K，冷却水流速为10 m/s的工况条件下，设计安装的1764片温差发电片输出总功率理论上可达31.75 kW。     

超临界二氧化碳涡轮发电机的设计及应用探讨

本文主要对超临界二氧化碳的物性特点及使用超临界二氧化碳为工质的涡轮发电机技术进行概述,提出基于超临界二氧化碳为工质的涡轮机设计的主要技术难点,包括涡轮设计、动密封设计、润滑设计及冷却设计,并在此基础上设计了涡轮机通过联轴器拖动高速发电机的组合原理样机;最后分别在氮吹试验台、超临界二氧化碳布雷顿热力循环系统上对涡轮发电机进行2种工质下的气吹试验,功率分别达到了12.6 k W和5.8 k W;通过试验证实了超临界二氧化碳涡轮发电机技术上的可行性,并为此种技术在船舶上的应用指明了方向。     

船舶余热有机朗肯循环的工质选择

船舶耗油量巨大且会产生大量余热和氮硫化物,为实现船舶节能减排,本文考虑使用有机朗肯循环回收利用船舶余热。但船舶余热形式复杂且温度不同,为使系统性能达到最佳,本文选取7种工质,并以MAN S35MC船舶柴油机为例,通过性能对比分析得出:相比其他工质,R601最适宜船舶余热的回收利用。在最佳工况条件下,有机朗肯循环系统回收利用船舶余热的总热效率能达到12.35%,总输出功率266.24kW,总■损率309.02kW,可使船舶柴油机的有效功率提高6.32%,这对实现船舶节能减排具有重大意义。     

余热发电并网关键技术研究

工业企业生产中会产生大量的余热,利用其进行发电既清洁环保,又节能经济。余热发电并网技术关系到企业的系统运作和企业成本及管理,更关系到并网区域大电网的经济安全运行。船舶行业中利用余热发电逐渐得到认可,机组的并网运行策略不断投入使用。文章从余热发电并列条件、容量分配、接入系统选择保护自动化装置等方面对余热发电并网关键技术进行了分析,具有一定实用价值。     

船舶烟气S-CO_2布雷顿循环稳态热力学优化

主机烟气余热进行循环再利用是船舶绿色化的重要技术实现途径,其核心环节在于采用适宜的热力学循环系统实现烟气输入热功到涡轮输出轴功之间的高效能量转换。在简述超临界二氧化碳(S-CO_2)布雷顿热力学循环系统基本原理和技术特点的基础上,根据换热器、涡轮机和压缩机等系统核心组成设备的数学模型,在Fortran软件环境中建立以系统热效率为目标优化函数的再压缩式循环结构的稳态运行效率数值计算仿真模型,分别针对循环压比、回热器总换热系数、分流系数等参数对系统循环热效率的影响问题进行算例分析。结果表明:在2.10～2.45的压比范围内,不同工况条件下均存在全局最优分流系数使得热效率最大化。船舶热能动力循环发电系统最优运行工况分析中,在涡轮机入口温度500℃、压缩机入口温度35℃下,存在最优分流系数为0.39,对应的循环压比为2.37,循环热效率为32.15%。     

船舶柴油机烟气余热利用过程的交互性影响研究

文章以MANB&W10S90ME-C9.5型柴油机为对象,建立了匹配300 kW级超临界CO2布雷顿循环发电装置所用2 MW烟气换热器的系统整体仿真模型,分析了柴油机50％～100％负荷条件下的烟气换热器性能参数变化规律、废气旁通阀30％～100％开度调控时的柴油机性能参数变化规律,为余热利用系统在船舶上的使用提供了理...     

船舶余热回收系统技术分析

针对以动力涡轮和蒸汽涡轮作为动力设备的船舶余热回收系统，分析余热回收系统对降低燃油成本、减少CO₂排放和船舶能效设计指数的影响。文章分析了船舶余热回收系统的原理与结构组成，以及系统性能和余热回收效果，分析结果表明：船舶加装余热回收系统（WHRS）可降低燃油成本，节省燃油4%～11%；除节省燃油之外，WHRS还大大降低了CO₂、NO_X、SO_X和颗粒物的排放，同时WHRS也降低了船舶的能效指数（EEDI）。